научно-популярное приложение к газете "Голос Армении"
Menu

ЭВОЛЮЦИЯ В ПРОБИРКЕ

Крейг Вентер

Работы над созданием искусственных (синтетических) геномов ведутся с 1999 г. Развитию этих исследований способствовали достижения международного проекта "Геном человека" (1990-2003), в процессе реализации которого были расшифрованы нуклеклеотидные последовательности не только человеческого генома, но и геномов некоторых других организмов, в том числе и микроорганизмов.

В 2007-2008 гг. В США в Частном Институте исследованиЯ генома, основанном Крейгом Вентером, в рамках проекта "Минимальный геном" был создан первый синтетический геном - минимальный набор генов (380), достаточный для создания свободноживущей, способной к самостоятельному росту и размножению бактерии, а в 2010 г. - полноценный геном бактерии и первый искусственный живой организм.

Исследовательской группой руководил Гамильтон Смит, получивший Нобелевскую премию 1978 г. вместе с американским микробиологом Даниелом Натансоном и швейцарским микробиологом и генетиком Вернером Арбером за открытие ферментов рестриктаз типа 2, ставших основным инструментом генной инженерии. Их широкое использование в молекулярной биологии фактически революционизировало эту науку.

В составе группы работали и другие известные ученые: Крейг Вентер - генетик и бизнесмен, специалист по секвенированию ДНК, принимавший непосредственное участие в реализации проекта "Геном человека", и микробиолог Клайд Хатчисон III. Команде ученых потребовалось порядка 15 лет, чтобы осуществить поставленную задачу.

В качестве объекта исследования была взята бактерия Mycoplasma genitalium -внутриклеточный паразит, передающийся половым путем, имеющий самый маленький в мире размер генома (482 гена) среди тех микроорганизмов, которые можно выращивать в лабораторных условиях. Ученые выращивали колонии этой бактерии на агаре. Вначале они по одному удаляли гены из хромосомы и определяли параметры, характеризующие жизнеспособность организма, чтобы идентифицировать минимальное число генов, необходимых для роста и размножения бактерии. Геном M. genitalium стал к этому времени уже вторым микроорганизмом, геном которого был расшифрован и полностью картирован. Первым была бактерия Haemophilus influenzae, вызывающая такие тяжелые инфекционные заболевания, как менингит и пневмония.

После определения минимального числа генов, необходимого для роста и размножения бактерии, ученые приступили к сборке синтетического генома. Химическим методом они синтезировали отдельные небольшие участки генома и далее попарно помещали их внутрь бактерии Esherihia coli (кишечная палочка), где эти участки объединялись в единый более крупный фрагмент, чего невозможно было достигнуть химическим синтезом. Кишечная палочка содержит все необходимые для этого ферменты и строительные блоки. В итоге после прохождения ряда последовательных стадий был получен синтетический геном M. genitalium, иными словами - его хромосома, представляющая кольцевую молекулу ДНК. Ученые пересадили синтетическую молекулу ДНК в лишенную хромосомы клетку M. genitalium и показали, что в таком состоянии новая синтетическая хромосома способна удваиваться, а содержащая ее бактерия - размножаться. Эта часть экспериментов завершилась в 2007 году, после чего ученые подали заявку на патентование полностью синтетического генома, созданного "с нуля" человеческими руками, и организма с этим искусственным геномом. Синтетический геном был лишен генов, ответственных за патогенные свойства бактерии.

ГеномНА СЛЕДУЮЩЕМ ЭТАПЕ ГРУППА ИЗ ИНСТИТУТА КРЕЙГА ВЗЯЛАСЬ синтезировать полный геном бактерии. В качестве объекта была выбрана бактерия Mycoplasma mycoides, вызывающая заболевание крупного рогатого скота - контагиозную плевропневмонию, геном которой был уже расшифрован, а гены на хромосоме - картированы. Как и в предыдущих экспериментах, ученые синтезировали небольшие фрагменты ДНК, содержащие только часть генома M. mycoides, а затем соединяли их вместе. Соединение и репликацию этих фрагментов проводили вначале в клетках кишечной палочки, а когда удалось получить достаточно крупные фрагменты - в клетках грибов Sacharomyces cerevisea (пекарские дрожжи), содержащих все необходимые для этого ферменты и строительные блоки, формирующие цепь ДНК. В итоге по кусочкам был собран весь геном M. mycoides с небольшими модификациями, которые были внесены для обеспечения соединения и репликации синтезируемых фрагментов в клетках кишечной палочки и дрожжей.

Ученые сталкивались с множеством трудностей, поскольку не все особенности работы генома как комплексной системы можно рассчитать, основываясь на нуклеотидной последовательности геномной ДНК. Последняя, к примеру, не дает информации об эпигенетических маркерах ДНК, без которых считывание генома в процессе его репликации или транскрипции будет проходить неправильно. Чтобы научиться вносить в искусственный геном M.mycoides необходимые маркеры, ушло много времени.

Синтетический геном содержал специальные метки - "водяные знаки" - некодирующие последовательности ДНК, которые ученые специально внесли в синтезированный геном, чтобы его можно было легко отличить от естественного.

Получив синтетический геном M. mycoides исследователи перенесли его в клетку другой бактерии - Mycoplasma capricolum, предварительно удалив из нее хромосому. В результате M.capricolum трансформировалась в M. mycoides и дала начало колонии бактерий с искусственным геномом, которые вырабатывали только те белки, которые характерны для M. mycoides и фенотипически соответствовали последней. Так был создан первый в мире искусственный живой организм с синтетическим геномом, который был зарегистрирован как штамм M.mycoides JCVI-syn1.0. Эта часть экспериментов была завершена в 2010 г., результаты опубликованы в журнале Science. На проведенные исследования было потрачено 40 млн долл. - личные средства Крейга Вентера.

СОЗДАННЫЕ В ИНСТИТУТЕ ВЕНТЕРА БАКТЕРИИ С СИНТЕТИЧЕСКИМ ГЕНОМОМ получили имя - Mycoplasma laboratorium и прозвище - Синтия (Synthia). По словам Вентера, это первые живые существа, родителями которых фактически являются компьютеры, поскольку использовались результаты компьютерной обработки данных по секвенированию бактериальных геномов.

Прозвище "Синтия" созданным в институте Вернера бактериям было дано международной общественной природоохранной организацией, выступающей против патентования всего живого, от биомолекул до новых пород животных, за открытый доступ к любым разработкам в области биотехнологии и ограничение подобных разработок. ETC считает, что создание искусственной бактерии является гораздо более опасным, чем открытия, связанные с расщеплением атома и клонированием овечки Долли. ETС также потребовала международного моратория на разработки в области синтетической биологии, особенно в частных лабораториях. А общество "Друзья Земли" сочло, что это научное достижение подменяет миллиарды лет эволюции, несет угрозу миру и на все исследования института должен быть введен мораторий. Многие экологи и правозащитники также по горячим следам заявили, что правительство не готово к регулированию этой сферы науки. Религиозные группы в США подняли этический вопрос создания "искусственной жизни", полагая, что общество не готово воспринять прагматичное воссоздание "тайны бытия".

Некоторые ученые также высказались против этих экспериментов, полагая, что открытие ученых Института Вентера может быть использовано во вред человечеству, поскольку разработанная технология позволяет синтезировать и опасные для жизни микробы. В связи с этим Национальный научный совет по биологической безопасности при правительстве США заявил, что "Синтия" не является новым биологическим оружием.

Но исследования в области синтетической биологии продолжались. В 2014 г. группа ученых из Института системной генетики Нью-Йоркского университета под руководством профессора Джефа Бока синтезировала ДНК эукариотического организма, в клетке которого, в отличие от прокариотических организмов, таких как бактерии, имеются оформленное ядро и не одна, а несколько хромосом. Они выбрали один из простейших эукариотических организмов - одноклеточный гриб Saccharomyces cerevisiae . В 1996 г. этот гриб стал первыми эукариотическим организмом, геном которого был полностью секвенирован и расшифрован.

УЧЕНЫЕ НЬЮ-ЙОРКСКОГО УНИВЕРСИТЕТА СИНТЕЗИРОВАЛИ ДРОЖЖЕВУЮ ХРОМОСОМУ НОМЕР 3. Всего в дрожжевой клетке содержится 16 хромосом, и хромосома номер 3 - одна из самых маленьких: на ее долю приходится всего лишь 2,5 процента наследственного материала дрожжевой клетки, состоящего из 12 млн пар нуклеотидных оснований.

Синтетическую дрожжевую хромосому, созданную группой Боеке, назвали "дизайнерской", т.к. в ее нуклеотидный состав были внесены изменения: некодирующие участки удалены, некоторые участки модифицированы и добавлены дополнительные участки. Это были необходимые для проведения определенных этапов синтеза в клетке бактерии, а также чтобы в дальнейшем иметь возможность контролируемо изменять синтетический геном, удаляя из него определенные гены. Шаблон синтетической хромосомы был разработан in silico (на компьютере), после чего воплощен в реальную последовательность ДНК.

Синтез проводили в несколько этапов. "Полусинтетические дрожжи" росли в разных питательных средах и размножались не хуже природных. Важнейшей задачей группы Боеке было проследить механизм эволюции генома, поэтому в синтетические хромосомы добавили особую последовательность нуклеотидов - "систему индуцированной эволюции". Наличие такой системы в хромосоме позволяло ученым удалять и перетасовывать гены в синтетической хромосоме в случайном порядке, создавая большое разнообразие дрожжевых клеток с разными геномами и, соответственно, разными фенотипами. После этого, меняя условия среды, можно изучать, как меняются свойства дрожжей при тех или иных изменениях в геноме и в окружающей среде; какие комбинации генов наиболее благоприятны для развития и жизнедеятельности дрожжей и как они обеспечивают максимальную устойчивость к изменениям окружающей среды.

Этот подход позволяет ответить на некоторые ключевые вопросы эволюции: какое максимальное количество генов может быть удалено без потери жизнеспособности такого мутанта и какие мутанты могут выживать при определенных внешних условиях? Ученые изменяли условия содержания дрожжевых грибов и следили за изменением их генома на уровне синтетической хромосомы. Было зарегистрировано изменение генома в зависимости от условий среды, что продиктовано необходимостью приспособления дрожжей к новым условиям.

Ученые фактически наблюдали "эволюцию в пробирке". Изучив на уровне синтетической хромосомы геном выживших в тех или иных условиях грибов, установили, какие гены дрожжей были отобраны, а какие - отбракованы в ходе эволюции. Результаты этих исследований опубликованы в журналах Science и Nature News.

 

Опубликовано в Лаборатория
Прочитано 1202 раз
Оцените материал
(1 Голосовать)

Оставить комментарий

Убедитесь, что вы вводите (*) необходимую информацию, где нужно
HTML-коды запрещены

Наверх